Montaje para reacción química con intercambio de calor, ópticamente interrogada.

Un recipiente de reacción (46, 50, 60, 90) que comprende:

a) dos paredes principales opuestas (18,

48, 72, 74), en el que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película;

b) una pluralidad de paredes secundarias contíguas (16, 62, 64, 66, 68, 70, 94, 96) que unen las paredes principales entre sí para formar una cámara de reacción (10); y

c) un orificio para introducir fluido dentro de la cámara,

caracterizado porque dos de las paredes secundarias son transmisoras de luz para proporcionar respectivas ventanas ópticas a la cámara, y que la relación de la conductancia térmica de las paredes principales respecto de las paredes secundarias es al menos de 2:1.

Montaje para reacción química con intercambio de calor, ópticamente interrogada Campo de la invención La presente invención es un dispositivo de utilidad en procesos químicos de intercambio de calor y procedimientos de fabricación del dispositivo.

Antecedentes de la invención Hay muchas aplicaciones en el campo del tratamiento químico en las cuales es conveniente controlar con precisión la temperatura de las sustancias químicas e inducir rápidas transiciones de la temperatura. En esas reacciones, se intercambia calor entre las sustancias químicas y su entorno para incrementar o reducir la temperatura de las sustancias químicas que reaccionan. De esta manera, el término "intercambio de calor" pretende significar en el presente documento el calor que puede ser transmitido por una fuente de calentamiento y absorbido por las sustancias químicas o el calor liberado por las sustancias químicas debido a la exposición a una fuente de refrigeración. A menudo es conveniente controlar el cambio de temperatura de una manera que consiga con precisión la temperatura objetivo, evitando quedarse corto o sobrepasar la temperatura, y alcance rápidamente la temperatura objetivo. Tal control de la temperatura puede impedir reacciones colaterales, la formación de burbujas no deseadas, la degradación de los componentes a determinadas temperaturas, etc., que pueden producirse a temperaturas no óptimas. También interesa que sea capaz de observar ópticamente y supervisar la reacción química.

Las aplicaciones para reacciones químicas de intercambio de calor pueden abarcar reacciones orgánicas, inorgánicas, bioquímicas, moleculares, y similares. En las reacciones orgánicas e inorgánicas, las sustancias químicas pueden ser calentadas para conseguir la energía de activación para la reacción. Ejemplos de reacciones químicas térmicas incluyen la amplificación isotérmica de los ácidos nucleicos, la amplificación del ciclado térmico, tal como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) , la reacción en cadena de la lipasa (LCR) , la duplicación de secuencias automantenidas, los estudios cinéticos de enzimas, los ensayos homogéneos de unión de ligantes y los estudios mecánicos bioquímicos más complejos que requieren cambios complejos de la temperatura. Además, puede llevarse a cabo la lisis condicionada por la temperatura de microorganismos objetivo antes de la amplificación y detección génicas mediante el control de las temperaturas y puede llevarse a cabo en el mismo dispositivo de reacción que la etapa de amplificación. Los sistemas de control de la temperatura permiten, asimismo, el estudio de determinados procesos fisiológicos en los que se requiere una temperatura constante y precisa.

Se han descrito en la técnica numerosos dispositivos y sistemas para dirigir reacciones de transferencia térmica. Estos dispositivos utilizan una pluralidad de diseños para la transferencia de calor, tal como baños de agua, baños de aire y bloques sólidos, tal como aluminio. Asimismo, se han descrito reacciones químicas en pequeños volúmenes de reacción.

El instrumental convencional, por ejemplo, típicamente consiste en un bloque de aluminio que incorpora hasta noventa y seis tubos de reacción cónicos. El bloque de aluminio es calentado y refrigerado ya sea mediante un aparato de calentamiento / refrigeración Peltier, o bien mediante un sistema de calentamiento / refrigeración de líquido en bucle cerrado, que fluya a través de unos canales maquinados dentro del bloque de aluminio. Debido a la gran masa térmica del bloque de aluminio, las velocidades de calentamiento y refrigeración se limitan, a aproximadamente, 1 ºC / segundo lo que se traduce en unos tiempos de tratamiento más largos. Por ejemplo, en la aplicación de la PCR, cincuenta ciclos pueden requerir dos o más horas para su desarrollo.

Parte de la razón por la que el bloque de metal sea de tamaño relativamente grande estriba en proporcionar una masa suficiente para asegurar una temperatura constante y uniforme en cada sitio de reacción, además de sitio a sitio. Algunos instrumentos de reacción de transferencia de calor incorporan, asimismo, una placa superior, que es refrigerada y calentada para asegurar una temperatura uniforme a través de la parte superior de todas las soluciones de muestra. Los insertos de muestra son ahusados para potenciar al máximo el contacto térmico entre el inserto y el bloque de metal. Un problema de este sistema es que las grandes masas térmicas que se requieren para la uniformidad de la temperatura, necesitan un largo periodo de tiempo (y o una fuente de potencia de calentamiento / refrigeración de gran tamaño) para calentar y refrigerar. La velocidad habitual de calentamiento y refrigeración para estos tipos de instrumentos es del orden de 1 a 3 ºC / segundo.

Típicamente la velocidad de calentamiento más alta que puede obtenerse en instrumentos comerciales es del orden de 3 ºC / segundo, y las velocidades de refrigeración son considerablemente inferiores. Con estas velocidades de refrigeración y calentamiento relativamente lentas, se ha observado que algunos procesos que requieren un estricto control de la temperatura son ineficientes. Por ejemplo, pueden producirse reacciones en las temperaturas intermedias, creando productos no deseados y colaterales, tal como "dímeros cebadores" de la PCR o amplicones anómalos, que son deletéreos para el proceso analítico. El control bajo de la temperatura se traduce en un sobreconsumo de los reactivos necesarios para la reacción perseguida.

Asimismo, en algunos procedimientos de detección química diagnósticos y medioambientales, el volumen de la 2

muestra no conocida sometida a prueba puede ser importante. Por ejemplo, en la detección de virus en la sangre o en otros fluidos corporales utilizando la PCR, el límite de detección es de aproximadamente 10 viriones. Por consiguiente, se requiere un volumen de fluido mínimo dependiendo de la concentración de viriones en la muestra. A modo de ilustración, en una concentración de 100 viriones / ml, el tamaño de la muestra debería ser de al menos 0, 1 ml; para muestras más diluídas, incluso son necesarios volúmenes de muestras mayores. Por consiguiente, el sistema de análisis químico debe diseñarse para manejar una amplia variedad de volúmenes de fluido, desde nanolitos hasta mililitros.

Otro elemento fundamental de las muchas reacciones químicas es la supervisión del proceso químico y la detección del producto resultante. La supervisión en tiempo real del proceso, a medida que se produce, hace posible la obtención de datos precisos y cuantitativos para determinar el avance de la reacción y del ajuste en consonancia de los parámetros de calentamiento / refrigeración. Cuando se dirigen múltiples ciclos, los procesos pueden ser supervisados después de cada ciclo térmico. Después de que la reacción se ha completado, el producto debe ser determinado. En algunos procesos, el producto es separado antes de la detección.

Una técnica de detección preferente para el análisis es la interrogación óptica típicamente utilizando fluorescencia, fotosíntesis o quimioluminiscencia. Para ensayos de aglutinación de ligantes, a menudo son utilizadas la fluorescencia de resolución en el tiempo y la polimerización de la fluorescencia. Se puede alcanzar una sensibilidad óptica óptima en soluciones fluidas, maximizando la longitud de trayectoria de muestreo óptica tanto de los haces de luz que excitan las moléculas químicas como la luz emitida, que será detectada para generar la señal óptica.

El control de los cambios de calentamiento y refrigeración pueden ser designados como ciclado térmico. El término "ciclado térmico" pretende significar en el presente documento al menos un cambio de la temperatura, esto es, un aumento o una reducción de la temperatura, en cuyo entorno las sustancias químicas están expuestas. Por consiguiente, las sustancias químicas que experimentan ciclado térmico pueden cambiar de una temperatura a otra y, a continuación, estabilizarse a esa temperatura, pasar a una segunda temperatura o volver a la temperatura de partida. El ciclo de temperaturas puede llevarse a cabo una vez o ser repetido tantas veces como sea necesario para la reacción química concreta. Las diversas reacciones químicas que se producen durante estos ciclos de temperaturas son más específicas y más eficientes cuando la temperatura es subida y bajada a las diversas temperaturas de reacción requeridas lo más rápidamente posible y es controlada con mucha precisión.

Dispositivos convencionales para el control de las reacciones mediadas por enzimas Los dispositivos que controlan la transferencia de calor para las reacciones químicas son aplicables en las reacciones... [Seguir leyendo]

1. Un recipiente de reacción (46, 50, 60, 90) que comprende:

a) dos paredes principales opuestas (18, 48, 72, 74) , en el que al menos una de las paredes principales comprende una hoja o película;

b) una pluralidad de paredes secundarias contíguas (16, 62, 64, 66, 68, 70, 94, 96) que unen las paredes principales entre sí para formar una cámara de reacción (10) ; y c) un orificio para introducir fluido dentro de la cámara, caracterizado porque dos de las paredes secundarias son transmisoras de luz para proporcionar respectivas ventanas ópticas a la cámara, y que la relación de la conductancia térmica de las paredes principales respecto de las paredes secundarias es al menos de 2:1.

2. El recipiente de la reivindicación 1, en el que la hoja o película tiene un grosor de aproximadamente 0, 000254 cm a aproximadamente 0, 0508 cm, y es suficientemente flexible para adaptarse a una superficie de calentamiento o de refrigeración.

3. El recipiente de la reivindicación 2, donde cada una de las dos paredes principales opuestas de la cámara comprende una hoja o película, siendo cada una de las hojas o películas suficientemente flexible para adaptarse a una respectiva superficie de calentamiento.

4. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que cada una de las hojas o películas comprende un material polimérico.

5. El recipiente de la reivindicación 1, en el que cada una de las paredes transmisoras de luz sirve para la excitación y detección para dos trayectorias de luz, la primera trayectoria de luz irradiada a través de una primera ventana óptica y detectada a través de una segunda ventana óptica y la segunda trayectoria de luz irradiada a través de la segunda ventana óptica y detectada a través de la primera ventana óptica, estando las paredes transmisoras de luz angularmente descentradas la una de la otra para potenciar al máximo el proceso de detección.

6. El recipiente de la reivindicación 5, en el que las paredes transmisoras de luz están angularmente descentradas aproximadamente 90 º la una de la otra.

7. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además un medio de sellado (12, 84) para sellar el orificio.

8. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además un canal que conecta el orificio con la cámara.

9. El recipiente de una cualquiera de la reivindicación 8, que comprende además un tapón que se puede insertar dentro del canal para aumentar la presión en la cámara.

10. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende al menos cuatro paredes secundarias, siendo al menos dos de las paredes secundarias paredes transmisoras de luz, y siendo al menos las otras dos de las paredes secundarias paredes retrorreflectantes para reflectar luz en la cámara.

11. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende además elementos o revestimientos ópticos en las paredes transmisoras de luz para permitir que solo ciertas longitudes de ondas de luz pasen a través de las paredes.

12. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que cada una de las paredes transmisoras de luz tiene una lente moldeada dentro de su superficie.

13. El recipiente de un cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende además al menos un reactivo en la cámara.

14. El recipiente de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la relación del área de superficie total de las paredes principales respecto de las paredes secundarias es al menos de 2:1.